51
SCTR -SZOKE ENIKO - Curs 3
SCTR
-SZOKE ENIKO -
Curs 3
3. Componentele hard ale unui sistem de calcul in
timp real
3.1 Unitatea centrala de calcul
3.1.1 Moduri de adresare
3.1.2 Clase de arhitecturi ale unitatii de calcul
3.2 Memorii
3.3 Unitati de intrare/iesire
SCTR: - componenta hardware
- componenta software
Cunoasterea (de principiu)a componentelor fizice
utilizarea eficienta a resurselor (hard si soft).
In general lb. de programare si SO moderne face ca programatorul
sa fie izolat de interiorul calculatorului. Cele specifice
lucrului in timp real presupun o altfel de abordare a relatiei
calculator-utilizator.
Arhitectura de baza a unui SC:
unitatea centrala de calcul (CPU) - procesorul
(Central Processing Unit)
memorii
unitatile de intrare/iesire
Unitatea
centrala de
calcul
CPU
Memorii
Unitati de intrare/iesire
Cai de date
si de adrese
Cai:
• busul de alimentare • busul de date • busul de adrese
Busul de alimentare - distribuie diferitele tensiuni
necesare functionarii componentelor fizice
Busul de adrese - multime de cai prin care se acceseaza
adresele de memorie
Busul de date - vehiculeaza datele intre diferitele
componenete fizice
Adresa + Data = informatie
busul de date + busul de adrese = busul de sistem
Unitatea centrala de calcul (CPU)este acea componenta
fizica care proceseaza numeric informatiile intr-un
calculator.
Cel mai cunoscut tip de CPU este microprocesorul - PC
- microcontroler
- DSP - Procesoare numerice de control
- Transputere
Microcontrolerul este o structura electronica destinata
controlului unui proces sau, mai general, este un
microcircuit care incorporeaza o unitate centrala (CPU) si
o memorie împreuna cu resurse care-i permit interaciunea cu
mediul exterior.
Este un sistem programabil prin microinstructiuni si care
recunoaste un set restrans de instructiuni elementare.
Familia 8051 - Intel Corporation
PIC Peripheral Interface Controller - Micro-chip Technology
AVR - Virtual RISC Atmel.
Procesoarele numerice de semnal, numite în literatura de
specialitate DSP-uri (DSP - Digital Signal Processors),
sunt sisteme de calcul programabile de tip "single-chip",
destinate prelucrării complexe a semnalelor digitale.
exp: Unitati de conversie CAN/CAN sau componente de
prelucrare a seriilor Fourier.
Deşi se numesc procesoare, ele înglobează într-un singur
circuit integrat principalele subsisteme componente ale
unui sistem de calcul (unitate centrală, subsistem de
memorie, subsistem de intrare / ieşire, etc.), realizând
funcţii complexe de transfer şi de prelucrare a datelor.
În 1982, Texas Instruments a introdus primul procesor DSP,
TMS32010, din familia TMS320.
Texas Instruments (57%)
Este un microcontroler de 16/32 de biti, cu arhitectură de
tip RISC (Reduced Instruction Set Computer) proiectat
pentru a fi utilizat în unitătile centrale ale sistemelor
de calcul cu prelucrare paralelă, orientate spre
comunicare eficientă de date.
-IMS T222 procesor pe 16 biţi;
-IMS T414 şi IMS T425 procesoare pe 32 de biţi;
-IMS M212 controlor de periferice inteligent (procesor
pe 16 biţi, memorie pe cip şi legături de comunicaţie,
cu logică pentru interfaţarea de discuri sau periferice
generale);
-IMS C011 şi IMS C012 adaptoare de legături permiţând
conectarea legăturilor seriale INMOS la porturi paralele
sau magistrale
-IMS C004 comutator de legături programabil ( reţea
grilă de comutatoare cu 32 de intrări şi 32 de ieşiri).
Coprocesoarele sunt unitati de calcul specializate pentru
anumite tipuri de operatii si lucreaza intotdeauna cu un
alt procesor, fiind subordonat acestuia ca nivel de
decizie.
Exp: Un PC poate avea unul sau mai multe procesoare .
Plăcile de bază normale permit prezenţa unui singur
procesor, însă sunt producători ce oferă opţiunea de dual
processor. Astfel în sistemele produse de Digital, HP se
pot întâlni între 2-8 procesoare. Problema este ca numai
anumite sisteme de operare ştiu sa folosească
multiprocesarea (Linux, SunOs, Unix, WindowsNT). Astfel în
Windows 9x prezenţa unui processor suplimentar nu va
influenţa cu nimic performanţa sistemului. Sistemele
multiprocesor sunt folosite în servere sau în staţii de
lucru cu flux mare de date (CAD, GIS, etc). Un alt motiv
de a folosi un sistem multiprocesor este securitatea
oferită. Astfel în cazul unei defecţiuni produse la unul
din procesoare conducerea va fi luată de celălalt.
O unitate centrală are un limbaj propriu, care diferă de la o
unitate centrală la alta, instrucţiunile unităţii centrale
fiind reprezentate de şiruri de numere binare. Producătorul
unităţii centrale stabileşte tipurile de instrucţiuni,
codificarea, structura şi modul de utilizare a acestora. Un
program scris în binar cu ajutorul acestor instrucţiuni se
numeşte program maşină iar codul în care este scris se numeşte
cod obiect (sau cod binar) direct executabil. Programele
executabile se afla in memoria interna a calculatorului si sunt
incarcate in CPU si executate continuu.
sistem de calcul bazate pe
arhitectura von Neumann
CPU alcatuit din mai multe componente conectate printr-
un bus intern.
unitatea aritmetica si logica
unitatea de comanda si control
registrii
Registrii - Reprezinta locatii de memorie temporare
aflate ın interiorul CPU. Registrele sunt fie dedicate
(program counter PC), fie generale. Un procesor are
multi registrii. Fiecare registru este un grup de celule
de memorie folosite pentru a întreţine stocarea
temporară de cuvinte (octeti) înăuntrul procesorului.
Rolul CPU este de a prelucra programele primite. Primele
programe au fost scrise în cod masina dar evident,
scrierea unor astfel de programe este dificilă iar
riscul de eroare este ridicat. Pentru simplificare,
producătorii unităţilor centrale asociază codului binar
corespunzător unei instrucţiuni, un nume care să fie
semnificativ şi care să sugereze acţiunea realizată de
instrucţiune. Acest nume poartă denumirea de mnemonică.
Programarea cu mnemonici este mai uşor de realizat dar
este necesar un program de traducere din mnemonici în
cod binar. Un astfel de program prevăzut cu o serie de
facilităţi care să uşureze munca programatorului se
numeşte asamblor iar programele scrise cu ajutorul
mnemonicelor, pentru asamblor, se numesc programe în
limbaj de asamblare.
Programele scrise în limbaj de asamblare nu pot fi rulate
decât pe unitatea centrală pentru care au fost scrise şi
din acest motiv se spune că programele scrise în limbaj de
asamblare nu sunt portabile. Avantajul utilizării
programelor în limbaj de asamblare este reprezentat de
faptul că ele permit accesul programatorului la
structurile de nivel jos ale SC (ceea ce nu se întâmplă la
limbajele de nivel înalt) şi permit scrierea unor programe
de dimensiuni mici ce se execută în timp scurt iar uneori
astfel de cerinţe sunt impuse. Din acest motiv şi
limbajele de programare de nivel înalt permit mecanisme de
inserare a unor secvenţe de program scrise în limbaj de
asamblare.
Programele reprezinta secvente de macroinstructiuni.
Secventele sunt stocate in memoria principala a
calculatorului si asteapta sa fie executate. Cand incepe
executia sa, o macroinstructiune este incarcata (fetch) de
la adresa data de registru numarator program si asezata in
registrul de instructiuni. Unitatea de control decodifica
macroinstructiunea si se executa cu ajutorul unitatii
logice si aritmetice de control (ALU)si a diversilor de
registri interni.
Se repeta pt. urmatoarea macroinstructiune.
Operatie ciclica:
incarcare - decodificare - executie
fetch - decode - execute
Prin limbajului de asamblare:
se face programe mai scurte şi care să lucreze mai
repede;
se înţelege mai bine cum lucrează calculatoarele;
se scrie un cod eficient.
Dar
Limbajul de asamblare este puţin răspândit printre
nespecialişti
este greu de învăţat, de citit şi de înţeles, de
depanat;
Calculatoarele actuale sunt atât de rapide încât nu
mai este necesară programarea în limbaj de asamblare;
Limbajul de asamblare nu este portabil.
Fara operand: NOP
Cu un operand: PUSH AX
Cu doi operanzi: MOV AX,BX
Linie cu eticheta START: MOV AX,BX
Linie de comentar ;
ADD AX,BX,CX
Timpul de executie al unei macroinstructiuni, calculat in numar
de cicli de masina depinde:
timpul de decodificare a instructiunii
lungimea microcodului
numarul de incarcari de adrese si date
Modul de adresare a instructiunilor:
Adresare implicita
Adresare directa
Adresare indirecta
Adresare cu registri
Adresare indexata cu registru de index
Codul operatiei specifica in mod implicit registri
utilizati pentru efectuarea instructiunii
Se foloseste registrul acumulator, care este
registru de destinatie in operatiile aritmetice si
logice
Instrtructiunile cu adresare implicita necesita un
singur ciclu masina ca CPU sa efectueze operatia
de incarcare (fetch) - cele mai rapide.
ABS ;
calculeaza valoarea absoluta a marimii aflata in
registru acumulator
Operandul este o constanta
Operandul este continut in codul instructiunii
Operandul este citit odata cu instructiunea
LOAD acc,5
Se incarca in registrul accumulator valoarea
numerica 5. Instructiunea necesita doua cicluri
masina pt. ca CPU sa efectueze operatiunea de fetch,
un ciclu pt. incarcarea instructiunii si unul pentru
incarcarea operandului.
Operandul este explicat printr-o adresa de memorie
(adresa unde se afla data respectiva)
Adresa operandului este continut in codul instructiunii
Instructiunea poate lucra cu o singura locatie de
memorie (octet,cuvant sau dubl-cuvant)
Se foloseste pt. variabile simple date nestructurate
Necesita ciclu suplimentar de transfer
Timp de raspuns mai mare!!
ADD acc,A
Se adauga la continutul acumulatorului valoarea aflata in
memorie la adresa A.Instructiunea necesita trei cicli
masina pt. operatiunea fetch. Unul pt. incarcarea
instructiunii, unul pt. cautarea operandului si unul pt.
incarcarea sa.
Campul operand al instructiunii nu contine nici data
necesara nici adresa unde se afla data, ci o adresa unde
gasim adresa la care se afla data cautata (operandul).
LOAD acc,A,Ind
Ind - specifica adresarea indirecta
La adresa A procesorul stie ca va gasi o informatie (o
adresa) de unde va putea sa incarce in acumulator
operandul.
Necesita patru cicli masina pt. operatiunea de fetch.
Mod de adresare cel mai lung.
Poate o sa fie o adresare imediata, directa sau
indirecta
In campul cod operatie sunt specificate nu adrese ci
registri interni ai CPU cu care se va lucra ca locatii
de memorie
LOAD R1,5
Se incarca valoarea 5 in registrul R1.
ADD R3,R1
Aduna la continutul registrului R3 continutul registrului
R1.
LOAD acc,R3,Ind
Incarca in acumulator data care se afla la adresa data de
R3.
nr ciclu
Foloseste unul sau mai multi registri speciali, numiti
registri de index.
Continutul acestui registru este o marime ce trebuie
indexata la valoarea operandului sau a adresei la care
se gaseste operandul.
LOAD *acc,5,RI1
Se incarca in acumulator valoarea 5 indexata cu continutul
registrului de index RI1. (adresare imediata)
ADD *acc,A,RI2
Adresa A se indexeaza cu continutul registrului de index
RI2 si se obtine astfel adresa de la care se aduce
operandul si se aduna cu cel aflat deja in acumulator.
(adresare directa)
* simbolizeaza adresarea indexata
In functie de complexitatea modului de adresare utilizat
de un anumit tip de procesor:
arhitecturi de 0-adrese
arhitecturi de 1-adresa
arhitecturi de 2-adrese
arhitecturi de 3-adrese
CPU lucreaza numai cu un registru acumulator si o memorie de
tip stiva ambele neadresabile.
Instructiunile nu au in ele camp de adresa si SC nu are memorii
adresabile.
Modurile de adresare este cel implicit sau cel imediat.
Se mai poate utiliza instructiuni de tip PUSH sau POP (stiva)
si operatii aritmetice sau logice (stiva)
Se folosesc la procesoare de tip microcontroler, cu
aplicatii in -timp real - conducerea proceselor
industriale de mica complexitate (masini unelte, brat
robotic, instalatii de ridicat(ascensoare)) si in domeniul
aparaturii electrocasnice (masini de spalat automate,
miniroboti), aparatura audio-video.
Avantaje
Viteza de calcul mare deoarece sunt utilizate doar
instructiuni rapide (cu unul sau doi cicli masina pentru
operatiunea de fetch)
Simplitate in utilizarea SC de catre nespecialisti
datorita setului mic de instructiuni pe care le are
Costuri mici ale SC
Dezavantaje
Imposibilitatea de a efectua operatii complexe,
implementarea algotimi de comanda sau conducere
sofisticati
Dificultatea sporita in a programa aceste SC pt operatii
matematice simple dar cu mai multi operatori.
Programarea unui procesor de 0-adrese. Presupune cunoasterea notiunii de memorie de tip stiva si a celei de arbore binar.
Denumirea de stivă se datorează modului de operare, similar cu modul de accesare a obiectelor dispuse sub formă de stivă într-un depozit.
Pentru a putea retrage dintr-o stivă un obiect, trebuie să luăm mai întâi toate obiectele care se află deasupra acestuia. Similar, într-o stivă poate fi accesat doar primul element – ultimul intrat. Pentru a accesa un element aflat în stivă, trebuiesc mai întâi retrase toate elementele aflate deasupra acestuia.
Stiva este utilizată în mod curent pentru managementul rulării aplicaţiilor software de către procesor.
Exp: Dacă la un moment dat într-un program apare o instrucţiune de salt la o funcţie ce sortează crescător un şir de numere, atunci, adresa curentă de execuţie este memorată în stivă.Procesorul face saltul şi execută funcţia respectivă după care se întoarce la execuţia liniilor de cod conform primei valori memorate în stivă.
Asupra unei stive pot fi executate următoarele operaţii:
PUSH – introducerea unui element în stivă;
POP – extragerea unui element din stivă;
TOP – Accesarea elementului din vârf, fără a modifica
valoarea acestuia.
Singurul element care descrie starea unei memorii stiva
este indicatorul de stiva care arata cate elemente
exista la un moment dat in stiva.
Operatiile matematice si logice pe stiva se definesc in
felul urmator:
op(niv_stiva-1) ← op(niv_stiva-1) # op(niv_stiva)
niv_stiva ← niv_stiva-1
op() – reprezinta operandul
# - reprezinta operatorul algebric sau logic
niv_stiva – reprezinta valoarea curenta a
indicatorului de stiva
In urma unei operatii intre doi operanzi din stiva (cei
mai de sus doi) valoarea celor doi operanzi se pierde
iar rezultatul ramane in varful stivei (care coboara o
unitate).
Principiul de funcţionare al stivei este “ultimul intrat,
primul ieşit” sau LIFO (Last In, First Out).
Stiva poate fi implementată static (folosind vectori)
atunci când se lucrează cu fluxuri de date precise. Când
nu se cunoaşte exact cantitatea şi ritmul informaţiilor ce
urmează a fi procesate, stiva se implementează dinamic
(folosind pointeri şi alocări dinamice de memorie) .
Exemplu: Dorim ca in stiva sa fie cel mult 100 de
elemente. C++
Exemplu: Dorim ca in stiva sa fie cel mult 100 de
elemente. C++
Exemplu: Dorim ca in stiva sa fie cel mult 100 de
elemente. C++
Tatal Tantei are 5 fete: 1. Chacha 2.
Cheche 3. Chichi 4. Chocho Intrebare:
Care este numele celei de-a cincea?
Gandeste repede...
